1、引言

FPGA是新型的可編程邏輯器件，能夠將大量的邏輯功能集成于單個器件中，它所提供的門數從幾百門到上百萬門，符合系統芯片（SOC—System On Chip）的發展要求，具有高度集成、低功耗、硬件升級等優點，可以滿足不同的需要。

隨著電于技術和傳感技術的不斷發展，使得可編程邏輯器件在現代數字系統和微電子技術應用中起著越來越重要的作用，本文主要研究利用FPGA器件和MAXPLUSⅡ工具軟件設計溫控定時噴灌系統。文中還涉及到模數轉換器ADC0804、溫度傳感器AD590的應用。

2、系統的硬件結構

溫控定時噴灌系統的硬件結構如圖一所示，由數字溫度表和FPGA兩部分組成。數字溫度表測量范圍為0一100℃.AD590溫度傳感器的感測能力是，溫度每升高1K就增加1μA的電流量，該電流流入1OKΩ的電阻后，將會產生1μA×1OKΩ=10mV的電壓。而00C（等于273 K）時，輸出電流273μA，流入1OKΩ的電阻后，產生273μA×10 KΩ = 2.73 V的電壓。如果測到電壓為XXV，則可由公式（XXV -2.73V）÷ 10 mV得到要測的溫度。溫度傳感器AD590串接1OKΩ

的電阻，然后經一個運算放大器后，將電壓引入ADC0804的Vin（+）管腳。ADC0804是8位模數轉換器，測量精度為0.02 V，當ADC 0804的轉換值為XXH時，所測溫度為T=（XXH×0.02 V-2.73V） ÷lOmV=XXH ×2-273。

3、FPGA功能模塊的設計

FPGA器件設計采用自頂向下的設計方法，將任務分解為三大功能模塊，最后將各功能模塊連接形成頂層模塊，完成整體設計。三大功能模塊可用VHDL語言編程實現，也可通過圖形輸入法設計，FPGA是系統的核心，本系統選用了Altera公司的EP1K30TC144-3芯片，在MAXPLUSⅡ開發平臺上，實現三大功能模塊： 數據處理模塊TDATA、時鐘模塊clock、噴灌控制模塊CONTROL。完成三個子模塊的設計后，用圖形輸入法形成的頂層設計如圖二所示。

3.1 時鐘模塊

用圖形輸入法形成的時鐘模塊clock如圖三，其中包括兩個模60計數器cntm60，一個模12計數器cntm12，它們輸出的信號分別對應時、分、秒的各位。時鐘模塊亦可由VHDL語言編寫，該程序比較常見，這里省略。

3.2 數據處理模塊

數據處理模塊TDATA完成溫度數據的處理，實現T=（XXH×0.02 V-2.73V） ÷lOmV=XXH ×2-273的運算，將接收到的轉換值調整成對應的數字信號，在讀 取 到 ADC0804的轉換數據后，先將轉換數據左移1位（相當于數值乘2），然后減去“100010001” （273的二進制表示）。當溫度大于某一數值時（如25℃），數據處理模塊TDATA輸出的使能信號和清零信號為1，它們作為時鐘模塊的輸入端，控制時鐘是否開始計時。主要程序如下：（為了結構清晰，對部分內容進行了刪減）

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity tdata is

port （data:in std_logic_vector （7 downto 0）;

t ：out std_logic_vector （8 downto 0）;

en:out std_logic;

clear:out std_logic）;

end tdata ;

architecture aa of tdata is

signal datain ： std_logic_vector （8 downto 0）;

signal tin ： std_logic_vector （8 downto 0）;

begin

process（data）

begin

datain《=data&‘0’;

tin《=datain-“100010001”;

if（tin 》= “000011001”） then

en《=‘1’;

clear《=‘1’;

else en《=‘0’;

clear《=‘0’;

end if;

end process;

t《=tin;

……

3.3 噴灌控制模塊

該模塊的輸入信號來自數據處理模塊和時鐘模塊的輸出，當溫度大于等于某一數值時（如25℃），噴灌控制模塊的輸出信號控制噴灌開關自動打開一定時間（如2小時）。主要程序如下：（為了結構清晰，對部分內容進行了刪減）

……

begin

process（hour，t）

begin

if（t 》= “000011001” and hour 》= “0000” and hour 《=“0010”） then

control《=‘1’;

else control《=‘0’;

end if;

end process;

……

4、 仿真

本文設計的VHDL語言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進行了編譯、仿真和調試，通過編程器下載到了EP1K30TC144-3芯片中實際測試并獲得了滿足設計要求的結果。

數據處理模塊的功能仿真結果如圖四所示。當轉換數據為95H，計算所測溫度為95H× 2-273=25℃，仿真結果正確。

噴灌控制模塊的功能仿真結果如圖五所示。可以看到，當溫度大于等于25℃時，噴灌控制模塊的輸出信號控制噴灌開關自動打開2小時。

5、 結論

通過以上對溫控定時噴灌系統的設計，看到應用FPGA器件和EDA技術，不僅縮短了系統的設計周期，還減少了系統體積，提高了系統的可靠性。具有設計周期短、設計費用和風險低、功能靈活的特點。本文給出的設計思想也適用于其它基于PLD器件的系統設計。

本文設計了基于VHDL 語言的溫控定時噴灌系統的幾個模塊：數據處理模塊TDATA、時鐘模塊clock、噴灌控制模塊CONTROL。每個模塊都通過了功能仿真和時序仿真，生成了可綜合的網表文件，并下載到EP1K30TC144-3芯片中。仿真和測試的結果表明每個模塊均完成了其邏輯功能。

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